自振荡凝胶马达属于活性软物质（Active Matter），是一类非平衡非线性化学-软物质耦合体系。从物质结构角度它由Belousov-Zhabotinsky（BZ）振荡反应的金属离子催化剂基团嫁接在刺激响应性凝胶高分子胶链上构成。伴随着振荡反应及其自组织化学波在凝胶介质内的传播，系统可以实现自振荡、蠕动以及定向仿生运动功能。多年以来，课题组该研究方向致力于通过实验研究、理论分析与模型模拟，研究凝胶马达的定向运动、程控定向运动、自适应运动以及更复杂仿生运动功能，探索反应网络驱动微型软马达分散式智能运动的基础理论与系统化设计方案。主要进展如下：

1、BZ反应振荡动力学光控理论

阐明光敏BZ反应“光强-振荡频率非单调关系”等动力学调制关系，并揭示活性胶正负趋光运动的原理(Chem.Comm., 2013, 49, 7690；Chaos, 2015, 25, 064607.)，为活性胶光控运动后续研究奠定基础。

2、活性胶定向运动机制和仿生功能设计

揭示信号系统(BZ反应)动力学分岔是驱动活性物质运动方向转变的内在根源：(1) 反转运动来自信号动力学同宿分岔(PNAS., 2017, 114, 8704-8709.; Sci. Adv., 2020, 6,eaaz9125.)或边界驱动(Angew., 2016, 55, 14301-14305.)；(2) 转角运动产生于螺旋信号的螺旋波尖漫游分岔(Angew., 2020, 59, 7106-7112.)；(3) 螺旋运动来自于化学波驱动马达运动正交分量的相位差（JPCL, 2021, 12, 11987-11991.）。

图1. 凝胶马达仿生运动模式及其定向性根源

依据上述原理：其一，揭示活性胶定向运动源自内部动力学而非体系与外界不对性作用(Sci. Adv., 2020)；其二，理论设计活性胶仿生运动功能：应用“化学锚定”原理实现仿生运动基础模式(逆波和顺波运动)及其转化(Angew., 2016)；通过光诱导同宿分岔设计周期性往返运动并在动力学理论层面解释生物行为（鱼群和鸟群的周期性迁徙等，PNAS, 2017）；实现均匀光强时间序列编码控制的多模式转角运动(三角、花瓣和五角等轨迹)，同理设计差异光强环境中活性胶自主进行避光转角运动，与纤细眼虫(Euglena gracilis)纤毛摆动波驱动转角运动在动力学机制上一致(Angew., 2020)。 

图2. 凝胶马达仿生转角和周期性迁徙自适应运动